Математики, физики и специалисты по материалам могут не прийти на ум первыми людьми, которые проконсультируются о том, правильно ли вы завариваете кофе. Но группа таких исследователей со всего мира - США, Великобритании, Ирландии, Австралии и Швейцарии - бросает вызов общепринятому мнению об эспрессо, обнаружив, что меньшее количество кофейных зерен, помолотых более грубо, является ключом к напитку, который дешевле в изготовлении, более постоянна от выстрела к выстрелу и такая же прочная. Их работа появится 22 января в журнале Matter.
"Большинство людей в кофейной индустрии используют мелкий помол и большое количество кофейных зерен, чтобы получить непредсказуемую и невоспроизводимую смесь горечи и кислой кислоты", - говорит соавтор Кристофер Хендон (@chhendon), химик-вычислитель из Орегонского университета.«Это звучит нелогично, но эксперименты и моделирование показывают, что эффективные воспроизводимые кадры можно получить, просто используя меньше кофе и более грубо его измельчая».
Несмотря на множество факторов, нормой для приготовления порции эспрессо является измельчение относительно большого количества кофейных зерен (~20 граммов) как можно более мелкого помола. Здравый смысл подсказывает, что мелкий помол означает большую площадь поверхности, контактирующей с жидкостью для заваривания, что должно повысить эффективность экстракции - долю молотого кофе, которая фактически растворяется и попадает в конечный напиток.
Но когда исследователи составили математическую модель, объясняющую выход экстракции на основе факторов, находящихся под контролем бариста, таких как масса воды и сухого кофе, тонкость или крупность помола и вода давление - и сравнив свои предсказания с экспериментами по пивоварению, стало ясно, что реальная взаимосвязь была более сложной. Мелкий помол в соответствии с отраслевым стандартом засорял кофейный слой, снижал эффективность экстракции, напрасно тратил сырье и приводил к изменению вкуса за счет отбора проб одних помолов и полного пропуска других.
После долгих вычислений и тысяч порций команда пришла к рецепту, позволяющему одновременно максимизировать экстракцию и производить эспрессо, который будет иметь одинаковый вкус от одной чашки к другой. «Один из способов оптимизировать экстракцию и добиться воспроизводимости - это сделать более грубый помол и использовать немного меньше воды, а другой - просто уменьшить массу кофе», - говорит Хендон.
Разработка модели, представляющей процесс приготовления эспрессо, была непростой задачей. На базовом уровне выход экстракции зависит от того, как вода под давлением проходит через массу кофейной гущи. Но эта масса состоит из миллионов отдельных зерен разных форм и размеров, беспорядочно спрессованных в единый фильтрующий слой. «Вам потребуется больше вычислительной мощности, чем Google, чтобы точно решить физические и транспортные уравнения пивоварения на геометрии, столь же сложной, как кофейная подушка», - говорит соавтор Джейми М. Фостер, математик из Университета Портсмута (Великобритания).).
Чтобы преодолеть это препятствие, исследователи обратились к маловероятному источнику - электрохимии - сравнив, как кофеин и другие молекулы растворяются в кофейной гуще, с тем, как ионы лития проходят через электроды батареи. Заимствование методологий моделирования из работы на батарейках привело к созданию строгой модели экстракции кофе, способной делать мощные и проверяемые прогнозы.
Увеличение выхода экстракции с помощью одного или нескольких способов, проиллюстрированных моделью, также может привести к экономической выгоде для кафе и к преимуществам устойчивого развития для кофейной отрасли в целом. Например, при нынешних ценах на обжаренные кофейные зерна снижение массы сухого кофе с 20 до 15 граммов на порцию принесет в целом экономию в размере нескольких тысяч долларов в год для небольшого кафе и 1,1 миллиарда долларов в год при масштабировании. вплоть до всей кофейной индустрии США. Более эффективное использование кофейных зерен также сократит количество отходов в то время, когда предложение кофе находится под угрозой из-за изменения климата в исторических производственных районах.
Исследователи, однако, подчеркивают, что их результаты не претендуют на то, чтобы свести все приготовления эспрессо к одному набору условий заваривания или к одному вкусовому профилю. «Хотя существуют четкие стратегии по сокращению отходов и повышению воспроизводимости, не существует очевидной оптимальной точки эспрессо», - говорит Хендон. «Существует огромная зависимость от предпочтений человека, производящего кофе; мы разъясняем переменные, которые им необходимо учитывать, если они хотят лучше ориентироваться в пространстве параметров приготовления эспрессо».
Вычисления для этой работы были поддержаны Национальным научным фондом (NSF) через среду Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE).